一种电致浸润无残余层纳米压印装置及方法与流程

1.本发明涉及微纳制造纳米压印技术领域，特别涉及一种电致浸润无残余层纳米压印装置及方法。


背景技术：

2.纳米压印是一种高通量、经济有效的微纳制造纳米图案化技术，该技术通过机械模压的手段，达到了超高的分辨率，有望在未来作为传统光刻技术的重要补充，成为半导体芯片、材料领域的又一通用型制造技术。与传统光刻技术相比，纳米压印的一个典型特点是为保证压印后压印模板上的纳米结构与衬底不发生接触，模板的结构与衬底之间有剩余的纳米压印层，即所谓的残余层。从而，需要一个额外的干法蚀刻步骤来去除压印过程中的残余层。因此，在这个蚀刻步骤中，厚度均匀的薄残余层对于压印图案的高保真传递，减小图案横向收缩和临界尺寸控制的损失至关重要。残余层的厚度与衬底上纳米压印胶的初始膜厚度（体积）和模板上纳米结构的空腔体积密切相关。尽管对于规整、简单的纳米结构可以通过旋转涂覆方法在衬底上精确的控制纳米压印胶的厚度来控制残余层的厚度。但对于变周期和不同高宽比的纳米结构模板，很难满足残余层薄而均匀的要求。因为，在具有不同周期和高宽比的复杂图案中，均匀的纳米压印胶层不可能在整个基底上获得均匀的残余层，这是由于填充到各自图案的空腔中的纳米压印胶的体积在局部有不同的变化（图1）。因此不均匀的残余层厚度为纳米压印图案的刻蚀传递造成困难。解决这一难题的方案就是无残余层压印。
3.实现无残余层压印的前提是涂敷在衬底上的纳米压印胶体积要小于模板上纳米结构的空腔体积。但是在通常条件下，因为压印时纳米压印胶处于液态，液体的表面张力会使进入空腔的纳米压印胶局部收缩团聚，部分填充纳米沟槽，从而形成断续的压印结构（图4）。在刻蚀残余层的同时不可避免的会引起同材质结构区的刻蚀，工艺繁琐耗时且影响精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种电致浸润无残余层纳米压印装置及方法，以克服现有技术中的不足。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本技术公开了一种电致浸润无残余层纳米压印装置，包括上部透明电极、下部结构化电极、纳米压印模板、纳米压印胶和纳米压印衬底，所述上部透明电极与下部结构化电极之间设有外部电压，所述下部结构化电极的顶部设有纳米压印衬底，所述纳米压印衬底上沉积有纳米压印胶，所述纳米压印胶与上部透明电极之间设有纳米压印模板，所述上部透明电极的上方设有紫外固化装置。
6.作为优选，所述上部透明电极的透光度大于80%，电阻低于2ω/sq。
7.作为优选，所述上部透明电极的材料采用金属、导电聚合物、ito玻璃或金属沉积
的pet薄膜中的一种。
8.作为优选，所述纳米压印胶在所述纳米压印衬底上的沉积方式采用旋纳米压印胶、滴纳米压印胶或喷纳米压印胶中的一种。
9.作为优选，所述纳米压印胶的粘度为0.1mpa
·
s~1000mpa
·
s。
10.作为优选，所述下部结构化电极由若干个独立电极拼接构成，每个独立电极上设有独立电压控制单元，所述独立电压控制单元通过外部电压控制。
11.作为优选，所述下部结构化电极的机械强度大于100mpa，电阻低于2ω/sq。
12.作为优选，所述下部结构化电极的材料采用金属或导电聚合物中的一种。
13.作为优选，所述外部电压的电压范围为0~120v。
14.本发明还公开了一种电致浸润无残余层纳米压印方法，具体包括如下步骤：s1、选取纳米压印胶，将纳米压印胶沉积在纳米压印衬底上；s2、根据纳米压印胶的结构特性，调节外部电压，改变下部结构化电极上各个独立电极的电压，使得纳米压印胶在纳米压印衬底上铺展均匀；s3、根据纳米压印模板的结构，确定纳米压印模板的空腔位置；s4、将纳米压印模板放置在纳米压印胶上方，根据纳米压印模板的空腔位置，调节外部电压，改变下部结构化电极上各个独立电极的电压，使得纳米压印胶在纳米压印模板的空腔中铺展均匀；s5、控制上部透明电极下压，当纳米压印模板被压至衬底贴合后，纳米压印胶在紫外辐射下交联并移除纳米压印模板，从而达到无残余层纳米压印。
15.本发明的有益效果：1、本发明通过外加电压，可根据纳米压印模板的结构要求而分区调节电压，从而使纳米压印胶受电场力、毛细力以及本征张力的多种作用，使得纳米压印胶流体在模板图案中完全铺展，以满足无残余层压印的前提条件；2、可根据纳米压印胶的结构特性调节电压，从而使纳米压印胶在受电场力的影响下，在衬底上铺展。在这个过程中，纳米压印胶流体在电场力的作用下在衬底上铺展；同时，在模板图案毛细力的作用以及电场力的双重作用下，纳米压印胶流体完全铺展至模板图案；当模板被压至衬底贴合后，纳米压印胶在紫外辐射下交联并移除模板，从而达到无残余层纳米压印；3、通过电致浸润无残余层纳米压印的方法，通过调控电场而控制纳米压印纳米压印胶的形态，实现无残余层纳米压印。重要的是，可以根据纳米压印纳米压印胶的属性、纳米压印模板的结构分区调控电压，以满足无残余层纳米压印的需要。
16.本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
17.图1是本发明一般纳米压印过程后的残余层及缺陷示意图；图2为本发明电致浸润无残余层纳米压印系统的组成示意图；图3为本发明电致浸润无残余层纳米压印过程示意图；图4为一般纳米压印sem照片；图5为通过本发明一种电致浸润无残余层纳米压印方法的sem结果。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
19.参阅图2，本技术公开了一种电致浸润无残余层纳米压印装置，包括上部透明电极、下部结构化电极、纳米压印模板、纳米压印胶和纳米压印衬底，所述上部透明电极与下部结构化电极之间设有外部电压，所述下部结构化电极的顶部设有纳米压印衬底，所述纳米压印衬底上沉积有纳米压印胶，所述纳米压印胶与上部透明电极之间设有纳米压印模板，所述上部透明电极的上方设有紫外固化装置。
20.在一种可行的实施例中，所述上部透明电极的透光度大于80%，电阻低于2ω/sq。
21.在一种可行的实施例中，所述上部透明电极的材料采用金属、导电聚合物、ito玻璃或金属沉积的pet薄膜中的一种。
22.在一种可行的实施例中，所述纳米压印胶在所述纳米压印衬底上的沉积方式采用旋纳米压印胶、滴纳米压印胶或喷纳米压印胶中的一种。
23.在一种可行的实施例中，所述纳米压印胶的粘度为0.1mpa
·
s~1000mpa
·
s。
24.在一种可行的实施例中，所述下部结构化电极由若干个独立电极拼接构成，每个独立电极上设有独立电压控制单元，所述独立电压控制单元通过外部电压控制。
25.在一种可行的实施例中，所述下部结构化电极的机械强度大于100mpa，电阻低于2ω/sq。
26.在一种可行的实施例中，所述下部结构化电极的材料采用金属或导电聚合物中的一种。
27.在一种可行的实施例中，所述外部电压的电压范围为0~120v。
28.实施例1：本实施例中，上部透明电极采用ito玻璃，透光率87.8%，电阻1.87ω/sq；下部结构化电极采用铝，机械强度大于200mpa，电阻为0.015ω/sq，大小为10
×
10cm，由100个独立电极拼接构成，外加电压0-120v；纳米压印胶选用高粘胶，接触角67
°
，粘度930mpa
·
s，官能团度6，tg112℃；s1、将纳米压印胶通过滴胶并使用匀胶机4000rpm/min匀胶40s，沉积在纳米压印衬底上s2、根据纳米压印胶的结构特性，调节外部电压，改变下部结构化电极上各个独立电极的电压：下部基板10
×
10一共100个独立电极，中间5
×
5的电极区域一共25个电极电压值20v，中间的8
×
8的电极区域（除中间的25个电极）39个电极电压值为30v，10
×
10的电极区域（除中间的64个电极）共36个电极，电压值为40v；上部电极为40v，从而让模板与衬底接触过程中由中心向四周，更好排出空气；s3、根据纳米压印模板的结构，确定纳米压印模板的空腔位置；s4、将纳米压印模板放置在纳米压印胶上方，根据纳米压印模板的空腔位置，调节外部电压，改变下部结构化电极上各个独立电极的电压：下部基板10
×
10一共100个独立电极，中间5
×
5的电极区域一共25个电极电压值由20v增加到50v，中间的8
×
8的电极区域（除
中间的25个电极）39个电极电压值由30v增加到50v，10
×
10的电极区域（除中间的64个电极）共36个电极，电压值由40v增加到50v。上部电极由40v增加到50v。加压时间为3s，模板与衬底贴合后并且保持3秒再固化，保持3s是为了让纳米压印胶流动铺展，使得纳米压印胶在纳米压印模板的空腔中铺展均匀；s5、控制上部透明电极下压，当纳米压印模板被压至衬底贴合后，纳米压印胶在紫外辐射下交联并移除纳米压印模板，从而达到无残余层纳米压印。
29.实施例2：本实施例中，上部透明电极采用金属沉积的pet薄膜，透光率81.7%，电阻1.31ω/sq；下部结构化电极采用环氧树脂+pedot：pss，机械强度大于100mpa，电阻为1.78ω/sq；大小为10
×
10cm，由100个独立电极拼接构成，外加电压0-120v；纳米压印胶选用中粘胶，接触角86
°
，粘度497mpa
·
s，官能团度3，tg57℃；s1、将纳米压印胶通过旋纳米压印胶沉积在纳米压印衬底上；s2、根据纳米压印胶的结构特性，调节外部电压，改变下部结构化电极上各个独立电极的电压：下部基板10
×
10一共100个独立电极，中间5
×
5的电极区域一共25个电极电压值15v，中间的8
×
8的电极区域（除中间的25个电极）39个电极电压值为25v，10
×
10的电极区域（除中间的64个电极）共36个电极，电压值为35v。上部电极为35v，从而让模板与衬底接触过程中由中心向四周，更好排出空气，使得纳米压印胶在纳米压印衬底上铺展均匀；s3、根据纳米压印模板的结构，确定纳米压印模板的空腔位置；s4、将纳米压印模板放置在纳米压印胶上方，根据纳米压印模板的空腔位置，调节外部电压，改变下部结构化电极上各个独立电极的电压：下部基板10
×
10一共100个独立电极，中间5
×
5的电极区域一共25个电极电压值由15v增加到45v，中间的8
×
8的电极区域（除中间的25个电极）39个电极电压值由25v增加到45v，10
×
10的电极区域（除中间的64个电极）共36个电极，电压值由35v增加到45v。上部电极由35v增加到45v。加压时间为3s,模板与衬底贴合后并且保持3秒再固化，保持3s是为了让纳米压印胶流动铺展，使得纳米压印胶在纳米压印模板的空腔中铺展均匀；s5、控制上部透明电极下压，当纳米压印模板被压至衬底贴合后，纳米压印胶在紫外辐射下交联并移除纳米压印模板，从而达到无残余层纳米压印。
30.实施例3：本实施例中，上部透明电极采用金属沉积的pet薄膜，透光率81.7%，电阻1.31ω/sq；下部结构化电极采用环氧树脂+pedot：pss，机械强度大于100mpa，电阻为1.78ω/sq；大小为10
×
10cm，由100个独立电极拼接构成，外加电压0-120v；纳米压印胶选用低粘胶，接触角70
°
，粘度0.3mpa
·
s，官能团度1，tg4℃；s1、将纳米压印胶通过喷胶沉积在纳米压印衬底上；s2、根据纳米压印胶的结构特性，调节外部电压，改变下部结构化电极上各个独立电极的电压：下部基板10
×
10一共100个独立电极，中间5
×
5的电极区域一共25个电极电压值8v，中间的8
×
8的电极区域（除中间的25个电极）39个电极电压值为15v，10
×
10的电极区域（除中间的64个电极）共36个电极电压值为25v。上部电极为25，使得纳米压印胶在纳米压印衬底上铺展均匀；s3、根据纳米压印模板的结构，确定纳米压印模板的空腔位置；
s4、将纳米压印模板放置在纳米压印胶上方，根据纳米压印模板的空腔位置，调节外部电压，改变下部结构化电极上各个独立电极的电压，下部基板10
×
10一共100个独立电极，中间5
×
5的电极区域一共25个电极电压值由8v增加到30v，中间的8
×
8的电极区域（除中间的25个电极）39个电极电压值由15v增加到30v，10
×
10的电极区域（除中间的64个电极）共36个电极，电压值由25v增加到30v，上部电极由25v增加到30v，加压时间为3s，模板与衬底贴合后并且保持3秒再固化，使得纳米压印胶在纳米压印模板的空腔中铺展均匀；s5、控制上部透明电极下压，当纳米压印模板被压至衬底贴合后，纳米压印胶在紫外辐射下交联并移除纳米压印模板，从而达到无残余层纳米压印。
31.如图4所示，为一般纳米压印sem照片：a、高粘胶；b、中粘胶；c、低粘胶；如图5所示，为本发明一种电致浸润无残余层纳米压印方法的sem结果，其中a为实施例一高粘胶，b为实施例二中粘胶，c为实施例低粘胶；对于高粘胶（a）和中粘胶(b)：流动性差，因此压印胶会很厚（超过了模板的需胶量），往往需要较大的压力使得压印胶填充模板空腔，但是会带来厚的残余层，严重影响后续的刻蚀精度。对于低粘胶(c)：流动性好，虽然基本没有残余层，但是容易受自身张力的作用而局部填充，结构表现为断断续续，基本无法保证压印精度。而采用本发明后，在保证压印精度的同时，还可以实现无残余层压印。
32.实现无残余层压印的前提是涂敷在衬底上的纳米压印胶体积要小于模板上纳米结构的空腔体积。但是在通常条件下，因为压印时纳米压印胶处于液态，液体的表面张力会使进入空腔的纳米压印胶局部收缩团聚，部分填充纳米沟槽，从而形成断续的压印结构（图4）。在刻蚀残余层的同时不可避免的会引起同材质结构区的刻蚀，工艺繁琐耗时且影响精度。在外加电场作用下，收缩的液体会在衬底表面铺展开来，紫外固化后，形成完整的无残余层压印结构。因而，方便快捷的电致浸润无残余层纳米压印技术，将会极大的简便纳米压印过程，提高刻蚀精度。
33.根据纳米压印模板的结构要求而分区调节电压：由于液态压印胶在进入模板空腔时，主要受毛细力的作用，液体的表面张力会使进入空腔的纳米压印胶局部收缩团聚，部分填充纳米沟槽，从而形成断续的压印结构（图1和图4b），同时，在压印过程模板变形会导致残余层不同的现象（图1）。因此，需要外场力使得压印胶在模板结构中铺展，分区调节电压是为了适应变周期的模板（图1），这样就可以根据模板的需胶量而调节电压，使得压印胶在模板结构中铺展均匀。
34.可根据纳米压印胶的结构特性调节电压：因为压印胶是由有机分子配合而成，因此，含有多种基团，而各种基团对电场的敏感程度不同，因此，可以根据压印胶的结构特性而调节电压，从而实现铺展。例如：亲水基（羧酸基、磺酸基、磷酸基、羟基、氨基、季铵基、嵌段聚醚）；疏水基（碳链、含有芳基、酯、醚、胺、酰胺等基团的烃基；紫外活性基团：不饱和聚酯、丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、乙烯基醚等。
35.针对现有无残余层纳米压印的必要性需求问题，成功实现在多材料压印衬底的无残余层压印，包括：无机模板（硅、氮化硅、氧化铝）、金属模板（铝）、有机模板（pdms、pvdf、pet）等。
36.针对现有纳米压印残余层去除的问题，成功利用电致浸润辅助的方式，调控纳米压印胶的铺展形态，实现了无残余层纳米压印。
37.针对现有纳米压印模板结构复杂而导致不可避免的残余层问题，成功实现了无残余层纳米压印，且不受限与模板结构的影响。
38.针对现有纳米压印残余层刻蚀问题，成功利用电致浸润辅助的方式，实现了无残余层纳米压印，避免了额外刻蚀残余层而引起的精度下降问题。
39.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电致浸润无残余层纳米压印装置，其特征在于：包括上部透明电极、下部结构化电极、纳米压印模板、纳米压印胶和纳米压印衬底，所述上部透明电极与下部结构化电极之间设有外部电压，所述下部结构化电极的顶部设有纳米压印衬底，所述纳米压印衬底上沉积有纳米压印胶，所述纳米压印胶与上部透明电极之间设有纳米压印模板，所述上部透明电极的上方设有紫外固化装置。2.如权利要求1所述的一种电致浸润无残余层纳米压印装置，其特征在于：所述上部透明电极的透光度大于80%，电阻低于2ω/sq。3.如权利要求2所述的一种电致浸润无残余层纳米压印装置，其特征在于：所述上部透明电极的材料采用金属、导电聚合物、ito玻璃或金属沉积的pet薄膜中的一种。4.如权利要求1所述的一种电致浸润无残余层纳米压印装置，其特征在于：所述纳米压印胶在所述纳米压印衬底上的沉积方式采用旋纳米压印胶、滴纳米压印胶或喷纳米压印胶中的一种。5.如权利要求1所述的一种电致浸润无残余层纳米压印装置，其特征在于：所述纳米压印胶的粘度为0.1mpa
·
s~1000mpa
·
s。6.如权利要求1所述的一种电致浸润无残余层纳米压印装置，其特征在于：所述下部结构化电极由若干个独立电极拼接构成，每个独立电极上设有独立电压控制单元，所述独立电压控制单元通过外部电压控制。7.如权利要求6所述的一种电致浸润无残余层纳米压印装置，其特征在于：所述下部结构化电极的机械强度大于100mpa，电阻低于2ω/sq。8.如权利要求6或7所述的一种电致浸润无残余层纳米压印装置，其特征在于：所述下部结构化电极的材料采用金属或导电聚合物中的一种。9.如权利要求1所述的一种电致浸润无残余层纳米压印装置，其特征在于：所述外部电压的电压范围为0~120v。10.一种电致浸润无残余层纳米压印方法，其特征在于，具体包括如下步骤：s1、选取纳米压印胶，将纳米压印胶沉积在纳米压印衬底上；s2、根据纳米压印胶的结构特性，调节外部电压，改变下部结构化电极上各个独立电极的电压，使得纳米压印胶在纳米压印衬底上铺展均匀；s3、根据纳米压印模板的结构，确定纳米压印模板的空腔位置；s4、将纳米压印模板放置在纳米压印胶上方，根据纳米压印模板的空腔位置，调节外部电压，改变下部结构化电极上各个独立电极的电压，使得纳米压印胶在纳米压印模板的空腔中铺展均匀；s5、控制上部透明电极下压，当纳米压印模板被压至衬底贴合后，纳米压印胶在紫外辐射下交联并移除纳米压印模板，从而达到无残余层纳米压印。

技术总结
本发明公开了一种电致浸润无残余层纳米压印装置，包括上部透明电极、下部结构化电极、纳米压印模板、纳米压印胶和纳米压印衬底，所述上部透明电极与下部结构化电极之间设有外部电压，所述下部结构化电极的顶部设有纳米压印衬底，所述纳米压印衬底上沉积有纳米压印胶，所述纳米压印胶与上部透明电极之间设有纳米压印模板，所述上部透明电极的上方设有紫外固化装置。本发明通过外加电压，可根据纳米压印模板的结构要求而分区调节电压，从而使纳米压印胶受电场力、毛细力以及本征张力的多种作用，使得纳米压印胶流体在模板图案中完全铺展，以满足无残余层压印的前提条件。以满足无残余层压印的前提条件。以满足无残余层压印的前提条件。


技术研发人员：邓萌萌
受保护的技术使用者：璞璘科技（杭州）有限公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/12